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A história do desenvolvimento dos computadores, desde as ideias iniciais de charles babbage até a era dos microcomputadores. Através deste texto, é possível conhecer a evolução da arquitetura lógica e da estrutura de computadores modernos, além de importantes fatos históricos, como a invenção do primeiro computador eletrônico, eniac, e a criação de empresas pioneiras na indústria de computadores, como ibm e univac. O texto também aborda a importância dos microprocessadores e da memória em computadores.
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Introdução à informática para aqueles que estão começando a usar o computador e não sabem o que é arquivo, RAM, sistema operacional, disquete, etc... Aqui vou explicar uma série de princípios sobre o funcionamento interno dos computadores. Esses princípios são válidos para qualquer tipo de computador, não importa o tamanho, a marca, o modelo, ou se trata de um computador novo ou antigo. Conhecendo o computador, você entenderá melhor o seu funcionamento e poderá tirar mais proveito do seu micro.
Os modernos chips dos computadores devem sua existência ao trabalho de inventores geniais, durante três séculos. Charles Babbage, considerado o pai do computador atual, construiu em 1830 o primeiro computador do mundo, cem anos antes de se tornar realidade. O projeto de Babbage apresentava desvantagens; uma delas era o fato de que o seu computador deveria ser mecânico, e a outra era a precariedade da engenharia da época. Apesar dos problemas, Charles Babbage construiu um aparelho que impressionou o governo inglês. Entretanto, a história da computação começou muito antes. Como sabemos, o computador é uma máquina capaz de efetuar cálculos com um grupo de números e ainda adaptável para efetuar novos cálculos com um outro grupo de números. O primeiro "modelo" foi o ábaco, usado desde 2000 a.C. Ele é um tipo de computador em que se pode ver claramente a soma nos fios. Blaise Pascal, matemático, físico e filósofo francês, inventou a primeira calculadora mecânica em 1642. A calculadora trabalhava perfeitamente, ela transferia os números da coluna de unidades para a coluna de dezenas por um dispositivo semelhante a um velocímetro do automóvel. Pascal chamou sua invenção de Pascalina. Nos anos que se seguiram, vários projetos foram feitos com intuito de aperfeiçoar essa primeira calculadora. Entretanto, nada de significativo aconteceu, até que Babbage e Ada Lovelace começaram a considerar melhor o problema. Em 1822, Babbage apresentou a Sociedade Real de Astronomia o primeiro modelo de uma máquina de "diferença", capaz de fazer cálculos necessários para elaborar uma tabela de logaritmos. O nome da máquina foi derivado de uma técnica de matemática abstrata, o método das diferenças. Com o incentivo da sociedade, Charles Babbage continuou a trabalhar no aperfeiçoamento da máquina. Com Ada Lovelace, filha de Lord Byron, iniciou um projeto mais ambicioso para construir uma "máquina analítica". Foi projetada para calcular valores de funções matemáticas bem mais complexas que as funções logarítmicas. A máquina era enorme, demonstrava inúmeros problemas e simplesmente não funcionava. Grande parte da arquitetura lógica e da estrutura dos computadores atuais provém dos projetos de Charles Babbage, que é lembrado como um dos fundadores da computação moderna. Essas máquinas eram chamadas de calculadoras. No início do século 20 já eram comuns as calculadoras mecânicas e elétricas. As calculadoras elétricas eram baseadas em um pequeno dispositivo elétrico, chamado de RELÉ. Os relés tinham aproximadamente o tamanho de uma caixa de fósforos. Máquinas calculadoras
construídas com relés eram muito grandes, pois para construí-las eram necessários centenas de relés.
As calculadoras elétricas, construídas com relés, eram muito melhores que as mecânicas. Eram mais rápidas e mais difíceis de apresentar defeitos. É verdade, essa estória de "erro do computador" já existia na época. As calculadoras mecânicas apresentavam muitos defeitos, da mesma forma como ocorre com qualquer máquina mecânica. As calculadoras a relé também apresentavam defeitos, mas eram muito mais raros. Resumindo, as calculadoras existentes até mais ou menos 1930 podiam ser de dois tipos:
Já nos anos 30 existiam as válvulas eletrônicas, muito usadas em rádios. Um daqueles antigos rádios possuíam mais ou menos uma dúzia de válvulas eletrônicas. As válvulas funcionavam como relés mais sofisticados. Eram muito mais rápidas que os relés, mas tinham o inconveniente de durarem pouco tempo. Após cerca de 1000 horas de uso, as válvulas "queimavam", assim como ocorre com as lâmpadas. Era então necessário trocar a válvula queimada.
Podemos ver na figura 2 uma válvula eletrônica.
Uma grande melhoria em todos os aparelhos eletrônicos ocorreu após a invenção do TRANSISTOR. Esses pequenos componentes serviam para substituir as válvulas, mas com muitas vantagens. Eram muitos menores, consumiam menos corrente elétricas e duravam muitos anos. Tornou-se possível à construção de computadores de menor tamanho, mais rápidos, mais confiáveis e mais baratos. Já no final dos anos 50, todos os computadores eram construídos com transistores. Também passaram a serem fabricados em série. Cada computador não era mais um "filho único", e sim, fazia parte de uma série de máquinas iguais. Esses computadores ainda custavam milhões de dólares, mas passaram a ser usados em aplicações não militares:
A indústria de computadores começou a crescer, dando origem ao desenvolvimento dos grandes gigantes da informática mundial, como a IBM.
Realmente os transistores causaram um grande impacto em todos os aparelhos eletrônicos, como rádios, TVs, vitrolas e tudo o mais que antes utilizava válvulas. Mas foi nos computadores que esses pequenos componentes tiveram a maior repercussão. Isso não é muito difícil de entender. Uma TV ou um rádio transistorizados não eram tão pequenos em comparação com os modelos a válvula. Mas no caso dos computadores, essa miniaturização era muito mais acentuada, já que os computadores a válvula eram verdadeiros gigantes. Computadores que ocupavam um salão inteiro podiam ser construídos a transistor e ficavam do tamanho de uma estante. Computadores a válvula que ocupavam um prédio inteiro, podiam ser construídos com transistor, e passavam a ocupar apenas um andar. Assim foram os computadores até mais ou menos 1965.
Ao mesmo tempo em que os computadores transistorizados eram cada vez mais utilizados em todo o mundo, um outro grande avanço tecnológico ocorria: A corrida espacial. Americanos e Soviéticos lançavam seus foguetes rumo ao espaço. A miniaturização de computadores era ainda mais importante, no caso de um computador a ser colocado a bordo de um foguete. Seria totalmente inviável levantar vôo carregando um enorme computador valvulado. Já para um computador transistorizado, isto era possível, mas se fosse conseguida uma miniaturização ainda maior, computadores mais poderosos ou então mais leves (ou ambas as coisas) poderiam ser embarcados nos foguetes. A NASA (Agência Espacial Norte-Americana) gastou bilhões de dólares com seu programa espacial, contratou empresas fabricantes de transistores para que realizassem uma miniaturização ainda maior. Uma dessas empresas, até hoje uma líder mundial em microeletrônica, é a TEXAS INSTRUMENTS. Foram então criados os primeiros CIRCUITOS INTEGRADOS, também chamados de CHIPS. Basicamente, um circuito integrado é um pequeno componente eletrônico que possui em seu interior, centenas, ou até milhares de transistores. A figura 5 mostra a comparação de tamanhos entre uma válvula, um transistor e um CHIP dos mais rudimentares. Enquanto um transistor é equivalente a uma válvula e tem um tamanho muito menor, um CHIP dos mais simples tem aproximadamente o mesmo tamanho que um transistor comum, mas em seu interior existem, na verdade, centenas de transistores.
Aqueles velhos CHIPS dos anos 60 tinham em seu interior, dezenas ou centenas de transistores. Já o microprocessador PENTIUM, um moderno CHIP dos anos 90, contém em seu interior, nada menos que 3.500.000 transistores! Os CHIPS podem ser divididos em várias categorias, dependendo da quantidade de transistores que existem em seu interior:
SSI - Short Scale of Integration, ou Integração em Baixa Escala. Esse chip contém em seu interior apenas algumas dezenas de transistores.
MSI - Medium Scale of Integration, ou Integração em Média Escala. Esse chip contém algumas dezenas de transistores.
LSI - Large Scale of Integration, ou Integração em Alta Escala. Contém em seu interior, alguns milhares de transistores.
Os microprocessadores formam uma parte importantíssima do computador, chamada de UCP (Unidade Central de Processamento), ou em inglês, CPU (Central Processing Unit). Antes da existência dos microprocessadores, as CPUs dos computadores eram formadas por um grande número de chips, distribuídos ao longo de uma ou diversas placas. Um microprocessador nada mais é que uma CPU inteira, dentro de um único CHIP. Podemos ver na figura 8, um microprocessador e uma placa de circuito. Um microprocessador contém todos os circuitos que antigamente eram formados por diversas placas.
Ligando-se um microprocessador a alguns chips de memória e alguns outros chips auxiliares, tornou-se possível construir um computador inteiro em uma única placa de circuito. Esse computador, por ter um tamanho muito menor que os computadores da época (início dos anos 70), passou a ser conhecido como MICROCOMPUTADOR. Esses primeiros microcomputadores eram bem diferentes dos atuais. Não tinham, por exemplo, teclado, nem vídeo, nem impressora. Eram ligados a um aparelho chamado de TELETYPE (ou TELETIPO). O teletipo era uma máquina de escrever que continha uma leitora e uma perfuradora de fita de papel. Os programas não eram armazenados em discos, como nos dias atuais. Eram gravados em fitas de papel. Os pequenos furos da fita de papel representavam as instruções dos programas.
Uma famosa empresa americana, a INTEL, foi uma das primeiras a produzirem microprocessadores. Seu primeiro microprocessador era chamado de "4004". Aliás, essa é uma característica muito comum nos chips: são normalmente chamados por números, e não por nomes. O 4004 era um microprocessador ainda muito limitado. Era capaz de realizar operações com apenas 4 bits de cada vez. Se você ainda não sabe o que é um "BIT", não se preocupe, pois ainda nesta unidade explicaremos o que são BITS e BYTES. Para simplificar, um microprocessador de 4 bits só pode operar com números pequenos, de 0 a 15. Para usar números maiores, um microprocessador de 4 bits precisa dividir o número em várias partes e fazer as contas em várias etapas. Podemos exemplificar isto, fazendo uma analogia com o que acontece com o cérebro humano:
Pergunta: Quanto é 37x21?
Na escola nunca estudamos a tabuada de 37, e nem de 21. O máximo que conseguimos calcular "de cabeça" é 9x9. Para calcular 37x21 temos que fazer a conta:
Como nosso cérebro só sabe multiplicar números menores que 10, dividimos a operação em várias etapas, e encontramos assim o resultado 777. Um microprocessador de 4 bits como o 4004 faz esse mesmo tipo de desmembramento para operar com números maiores. Depois do 4004, a INTEL lançou o 8008, que era um microprocessador de 8 bits. Era muito mais rápido que o 4004, já que podia operar com números maiores. Com 8 bits, esse chip podia operar diretamente com números entre 0 e 255. O que o 4004 precisava de duas etapas para realizar, podia ser realizado em uma única etapa pelo
Depois do 8008, a INTEL lançou um novo microprocessador de 8 bits, chamado de 8080. Era mais rápido e mais barato que o 8008. O 8080 foi o primeiro microprocessador a ser usado em larga escala nos chamados "computadores pessoais". Antes deles, os microcomputadores eram usados apenas em laboratórios científicos, em
dias atuais, os modernos microcomputadores são compatíveis com o IBM PC original, lançado em 1981. Este microcomputador tinha as seguintes características:
Pouco tempo depois, a IBM realizou melhorias no projeto deste microcomputador e lançou o IBM PC-XT. A sigla "XT" significa "Extended Technology" (Tecnologia estendida). As características dos primeiros modelos do IBM PC-XT eram as seguintes:
∗ Microprocessador 8088, operando a 4.77 MHz
∗ Monitor de vídeo monocromático ou colorido
∗ 2 drives de 360 KB
∗ 64 KB de memória, possibilitando expansão até 256 Kb
∗ Disco Winchester de 10 MB
A grande vantagem do IBM PC-XT em relação ao IBM PC era a possibilidade de operar com um disco rígido (também chamado de winchester) de 10 MB.
Ao longo dos anos foram surgindo novos fabricantes PC’s aumentando a competição a IBM, com isso foi havendo melhorias como:
Preço : Com o aumento da produção e o uso de chips VLSI, foi possível reduzir drasticamente o preço dos equipamentos.
Microprocessador : A cada ano eram lançados novos tipos de microprocessadores, cada vez mais velozes. Por exemplo, o microprocessador 80286 foi utilizado em outro modelo da IBM chamado de IBM PC-AT.
A sigla "AT" significa "Advanced Technology" (Tecnologia Avançada). O IBM PC-AT operava com 8 MHz, mas ao longo dos anos foram lançados novos modelos com velocidades mais altas. Assim como ocorreu com o 80286, os microprocessadores 80386, 80486 e PENTIUM também tiveram versões com diversas velocidades.
Figura 11 - Microprocessador 80486
Winchester : Os XTs usavam discos Winchester com 10 MB, mas atualmente existem winchesters com várias capacidades
Figura 12 - Um moderno disco winchester, mas atualmente existem winchesters com várias capacidades
Memória : Os primeiros PCs usavam 16 KB de memória. Os programas da época eram suficientemente pequenos para funcionar bem com esta pequena quantidade de memória.
Portanto, "CPU" não é a mesma coisa que "microprocessador". O certo é dizer que o microprocessador é a CPU do microcomputador, e que a PLACA DE CPU de um microcomputador é a placa onde está localizado o microprocessador. Não é simples? Não importa de que tipo de CPU estamos falando, seja um microprocessador, ou uma das várias placas que formam a CPU de um computador de grande porte, podemos dizer que a CPU realiza as seguintes tarefas:
a) Busca e executa as instruções existentes na memória.
Os programas e os dados que ficam gravados no disco (winchester ou disquetes), são transferidos para a memória. Uma vez estando na memória, a CPU pode executar os programas e processar os dados.
b) Comanda todos os outros chips do computador.
A CPU é auxiliada por vários circuitos que desempenham diversas funções. Por exemplo, quando você pressiona uma tecla, faz com que o teclado transmita o código da tecla pressionada. Este código é recebido por um circuito chamado de INTERFACE DE TECLADO. Ao receber o código de uma tecla, a interface de teclado avisa a CPU que existe um caráter recebido. Por outro lado, quando a CPU precisa enviar uma mensagem para o usuário, precisa que a mensagem seja colocada na tela. Isto é feito com auxílio de um circuito chamado de INTERFACE DE VÍDEO. A CPU envia para a interface de vídeo, a mensagem, seja ela em forma de texto ou figura. A interface de vídeo coloca então a mensagem na tela. Quando a CPU executa instruções e processa dados, dizemos que está PROCESSANDO. A CPU passa, na verdade, o tempo todo processando instruções e dados. Quando um circuito recebe um dado e o transmite para a CPU, como no caso do teclado, dizemos que se trata de uma operação de ENTRADA DE DADOS (INPUT). Quando um circuito transmite um dado, como no caso do vídeo, ou da impressora, dizemos que se trata de uma operação de SAÍDA DE DADOS (OUTPUT). Podemos dizer que o computador é uma máquina que passa o tempo todo realizando três operações:
A entrada de dados é realizada por diversos dispositivos coordenados pela CPU. Entre eles podemos citar o teclado. O processamento é realizado pela própria CPU. Lembre-se que CPU significa "Unidade Central de Processamento". A saída de dados é realizada por vários dispositivos, sob a coordenação da CPU. Entre eles podemos citar o vídeo e a impressora. Vejamos então um pequeno resumo dos conceitos apresentados nesta lição:
CPU - É a Unidade Central de Processamento. Em computadores de grande porte, a CPU é formada por uma ou mais placas. Nos microcomputadores, a CPU é o próprio MICROPROCESSADOR.
PLACA DE CPU - Todo microcomputador possui uma placa principal, chamada de PLACA DE CPU ou PLACA MÃE. Esta placa contém o microprocessador, a memória e outros circuitos importantes.
PROCESSAMENTO - É a principal função da CPU. Além de realizar o processamento dos dados. A CPU também comanda as operações de ENTRADA e SAÍDA, que são realizadas por circuitos auxiliares chamados de INTERFACES.
BIT - Número que pode representar apenas dois valores: 0 e 1.
BYTE - Grupo de 8 bits. Pode representar valores numéricos entre 0 e 255. Pode também ser usado para representar caracteres. Cada caráter ocupa um byte.
KB (KILOBYTE) - Um grupo de aproximadamente 1.000 bytes.
MB (MEGABYTE) - Um grupo de aproximadamente 1.000.000 bytes.
GB (GIGABYTE) - Um grupo de aproximadamente 1.000.000.000 bytes.
Estamos acostumados a utilizar o SISTEMA DECIMAL DE NUMERAÇÃO. Esse sistema usa 10 algarismos para formar todos os números: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, e
Os BYTES podem ser usados para representar números, caracteres, figuras, ou qualquer outro tipo de dado armazenado ou processado em um computador. Convenciona-se, por exemplo, que as letras do alfabeto, os números e outros caracteres são representados como está exemplificado abaixo:
01000001 - A 01000010 - B 01001010 - L 00100011 - # 01010100 – T
Ninguém precisa decorar esses números. Na verdade, alguns "micreiros" acabam, de forma imperceptível, decorando esses valores. Mas não é necessário decorar esses números para saber usar o computador. É importante que você saiba que, por exemplo, quando você pressiona a tecla "T", o teclado transmitirá para o computador um código que representa esta letra (este código, que você não precisa decorar, é 01010100). Não é importante saber qual é o código, mas é importante saber que é formado por 8 bits, e que ficarão armazenados na memória do computador, ocupando exatamente 1 BYTE. Vejamos agora o que é KB, MB e GB. Dissemos anteriormente que 1 KB é aproximadamente 1000 bytes. Na verdade, 1 KB são 1024 bytes. Este número foi escolhido porque sua representação binária é muito mais simples que a representação do número 1000:
1000 = 01111101000 em binário
1024 = 10000000000 em binário
Por razões de simplificação de hardware, o número 1024 foi o escolhido para representar o "k" da computação. Na vida cotidiana e na física, o "k" vale 1000:
∗ 1 km = 1000 metros ∗ 1 kg = 1000 gramas ∗ 1 kV = 1000 volts
Entretanto, na informática, o multiplicador "k" (lê-se "quilo" ou "ká") vale 1024. Por isso dizemos que 1 KB é aproximadamente 1000 bytes. Da mesma forma, o multiplicador "M" (lê-se "mega"), que normalmente vale 1.000.000, na computação vale:
1 M = 1024 k = 1024x1024 = 1.048.
Portanto, 1 MB (lê-se "um megabyte") são exatamente 1.048.576 bytes. Mas para efeitos práticos, podemos dizer que 1 MB é aproximadamente 1 milhão de bytes.
O multiplicador "G" (lê-se "giga"), que normalmente vale 1 bilhão, na computação vale:
1 G = 1024 M = 1024x1024x1024 = 1.073.741.
Portanto, 1 GB (lê-se "um gigabyte") são exatamente 1.073.741.824 bytes, mas para efeitos práticos podemos dizer que 1 GB é aproximadamente 1 bilhão de bytes.
A CPU é a parte mais importante de um computador. Essa importância é tão grande, que é comum ouvir pessoas chamando seus computadores pelo nome do microprocessador: "... possuo um computador 486...". Podemos dizer que depois da CPU, a parte mais importante de um computador é a MEMÓRIA. Tanto é assim que ouvimos muitos usuários de micros falarem: "... possuo um 486 com 8 MB de memória...". A MEMÓRIA PRINCIPAL é aquela que é acessada diretamente pelo microprocessador. É formada por diversos tipos de CHIPs. Podemos ver na figura 16 alguns tipos de chips de memória, usados para formar a memória principal de microcomputadores.
Além da MEMÓRIA PRINCIPAL, que é diretamente acessada pela CPU, existe também a MEMÓRIA SECUNDÁRIA, que será estudada na próxima seção. A memória secundária não é acessada diretamente pela CPU. Seu acesso é feito através de interfaces ou controladoras especiais. Podemos citar como exemplo de memória secundária, o WINCHESTER. A memória secundária não é formada por chips, e sim, por dispositivos que utilizam outras tecnologias de armazenamento. O winchester, assim como os disquetes e as unidades de fita, usam a tecnologia magnética para armazenar dados. Os discos CDROM usam tecnologia ótica.
e Saída). O BIOS tem várias funções, entre as quais, a de realizar a "partida" do computador. Quando ligamos o computador, o BIOS realiza a contagem de memória, faz uma rápida checagem do funcionamento do computador e realiza a carga do Sistema Operacional que deve estar armazenado no disco. O BIOS está gravado em uma memória ROM localizada na PLACA DE CPU. Como já mostramos, a PLACA DE CPU contém quase toda a memória de um microcomputador, mas outras placas também podem conter memórias, do tipo RAM e do tipo ROM. Por exemplo, as placas de vídeo contêm uma ROM com o seu próprio BIOS, e contém uma RAM chamada de MEMÓRIA DE VÍDEO, que armazena os caracteres e gráficos que são mostrados na tela. Podemos ver na figura 17 os chips de memória existentes na PLACA DE CPU. A figura 18 mostra os chips de memória existentes na PLACA DE VÍDEO de um microcomputador.
A MEMÓRIA SECUNDÁRIA também é chamada de MEMÓRIA DE MASSA. É uma memória do tipo PERMANENTE (não se apaga quando o computador está desligado), que tem uma alta capacidade de armazenamento, e um custo muito mais baixo que o da memória principal.
Você poderá estar pensando como a memória secundária tem grande vantagem em relação à memória principal. A memória secundária é muito mais barata, de maior capacidade, e ainda é permanente, ou seja, não apaga os dados quando o computador é desligado. Por que então esse tipo de memória não é usado no lugar da memória principal? Já pensou como seria interessante acoplar um winchester de 200 MB diretamente a um microprocessador? Você iria dizer: "... possuo um computador 486 com 200 MB de memória...". Infelizmente, os dispositivos de armazenamento secundário são extremamente lentos. São lentos demais para serem acoplados diretamente ao microprocessador. Além disso, não permitem acessos
a seus bytes individuais, como um microprocessador precisa realizar. Os meios de armazenamento secundário só permitem o acesso a BLOCOS DE DADOS. Em um disquete ou em um winchester, por exemplo, as leituras são feitas em unidades mínimas chamadas de SETORES. Cada setor tem 512 bytes. Para ter acesso a um único byte, é preciso ler o setor inteiro. Isso faz com que seu acoplamento direto à CPU seja inviável. As memórias RAM e ROM são milhares de vezes mais rápidas e permitem que sejam feitos acessos a qualquer um de seus bytes, de forma individual. Por isso são usadas para formar a memória principal. A tabela abaixo mostra o tempo que o microprocessador precisa para ter acesso a um byte qualquer, em cada um dos tipos de memória. Os valores mostrados são aproximados, mas são suficiente para verificar como as memórias ROM e RAM são muito mais rápidas.
Os meios de armazenamento secundário são mais lentos porque envolvem movimento de suas partes mecânicas. O winchester, o drive de disquete e o drive de CD-ROM precisam mover a cabeça de leitura até o ponto onde será feita a leitura. A unidade de fita precisa girar a fita até o ponto a ser acessado. As memórias ROM e RAM não precisam desses movimentos, pois seu acesso é inteiramente eletrônico. Por isso são usadas como memória principal.
Já vimos que um computador passa o tempo todo realizando três tarefas:
Entrada : Feita por chips e dispositivos especializados em leitura de dados, sob a coordenação da CPU.
Processamento : Feito pela CPU
Saída : Feita por chips e dispositivos especializados em transmissão ou gravação de dados, sob a coordenação da CPU.
Existem, portanto no computador, os chamados DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA, também chamados de PERIFÉRICOS. Através desses dispositivos, o computador pode armazenar, ler, transmitir e receber dados. A MEMÓRIA SECUNDÁRIA, já estudada na lição anterior, é formada por diversos dispositivos de ENTRADA E SAÍDA. O termo “ENTRADA E SAÍDA” são abreviados por E/S , ou para quem preferir a língua inglesa, I/O (INPUT/OUTPUT). Dentre os diversos dispositivos de E/S, existem alguns que são especializados apenas em ENTRADA, outros especializados apenas em SAÍDA e outros em ENTRADA E SAÍDA. Podemos citar os seguintes exemplos: